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반작용

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목차

1. 개요

반작용은 물리학에서 작용에 대한 상호 작용으로, 뉴턴의 제3운동 법칙에 따라 작용하는 힘과 크기가 같고 방향이 반대인 힘을 의미한다. 지면과의 상호 작용, 중력, 물체의 지지, 용수철에 매달린 물체 등 다양한 예시를 통해 설명된다. 작용-반작용 법칙에 대한 오해로는 인과 관계에 대한 오해, '같고 반대 방향'에 대한 오해가 있으며, 구심력과 원심력의 관계 또한 관련하여 설명된다.

2. 작용-반작용 법칙의 예시

작용-반작용 법칙은 일상생활의 다양한 상황에서 관찰된다.


  • '''지면과의 상호작용''': 어떤 물체가 지면에 힘을 가하면, 지면은 동일한 크기의 힘으로 반대 방향으로 밀어낸다. 사람이 점프를 하거나, 차량이 움직일 때 이러한 현상을 볼 수 있다.[1]
  • '''중력''': 지구가 태양을 공전하는 것은 태양이 지구를 당기는 중력(작용) 때문이다. 동시에 지구도 태양을 당기는 인력(반작용)을 미치고 있다.
  • '''물체의 지지''': 지구상의 모든 물체는 중력에 의해 아래로 당겨진다. 물체가 케이블에 매달려 있거나, 표면 위에 놓여 있거나, 액체에 떠 있을 때, 위쪽 방향으로 지지력(장력, 수직 항력, 부력)이 발생하여 물체가 정지 상태를 유지한다.
  • '''용수철에 매달린 물체''': 용수철에 매달린 물체가 진동할 때, 중력과 탄성력은 계속 변하지만, 물체가 용수철에 가하는 힘과 용수철이 물체에 가하는 힘은 항상 작용-반작용 관계를 유지한다.

2. 1. 지면과의 상호작용

어떤 물체가 지면에 힘을 가하면, 지면은 동일한 크기의 힘으로 반대 방향으로 밀어낸다. 생체역학과 같은 응용 물리학 분야에서, 지면이 가하는 이 힘을 '지면 반력'이라고 부르며, 물체가 지면에 가하는 힘을 '작용'으로 간주한다.[1]

사람이 점프를 하려고 할 때, 지면에 추가적인 하향력('작용')을 가한다. 동시에, 지면은 그 사람에게 상향력('반작용')을 가한다. 이 상향력이 그 사람의 체중보다 크면, 상향 가속으로 이어진다. 이 힘들이 지면에 수직일 때, 수직항력이라고도 한다.[1]

차량의 회전하는 바퀴는 지면을 따라 뒤로 미끄러지려고 한다. 지면이 너무 미끄럽지 않다면, 바퀴가 지면에 가하는 뒤쪽 방향의 '작용'과, 지면이 바퀴에 가하는 앞쪽 방향의 '반작용'의 한 쌍의 마찰력이 발생한다. 이 전방 힘은 차량을 추진시킨다.[1]

2. 2. 중력

태양과 지구처럼 질량 차이가 극단적으로 나는 두 물체. 붉은색 X는 질량 중심을 나타낸다.


지구는 다른 행성과 마찬가지로 태양을 공전하는데, 이는 태양이 구심력으로 작용하는 중력으로 지구를 끌어당기기 때문이다. 만약 이 힘이 없다면 지구는 우주로 날아가 버릴 것이다. 태양의 인력을 작용으로 간주할 경우, 동시에 지구는 태양에게 인력(반작용)을 미치고 있다. 지구의 인력은 태양과 크기는 같지만 방향은 반대이다. 태양의 질량은 지구의 질량보다 훨씬 크기 때문에, 보통 태양은 지구의 인력에 반응하는 것처럼 보이지 않지만, 실제로는 그림에 표시된 것처럼 (정확한 축척은 아니지만) 반응하고 있다. 두 천체의 결합된 운동을 설명하는 올바른 방법(일단 다른 모든 천체를 무시한다)은 둘 다 결합된 계의 질량 중심(천문학에서는 barycenter라고 불린다)을 중심으로 공전하는 것이다.

2. 3. 물체의 지지

지구상의 모든 질량은 지구의 중력에 의해 아래로 당겨진다. 이 힘은 질량의 무게라고도 불린다. 이에 대한 '반작용'은 질량이 지구에 가하는 중력이다.

물체가 정지 상태를 유지하도록 지지되는 경우, 예를 들어 매달려 있는 케이블, 물체 아래의 표면 또는 물체가 떠 있는 액체에 의해 지지될 때, 위쪽 방향으로 지지력(장력, 수직 항력, 부력)이 발생한다. 이 지지력은 물체가 정지 상태를 유지하므로 힘이 균형을 이루어야 하기 때문에 '크기가 같고 반대 방향'의 힘이라는 것을 알 수 있다.

이 지지력에 대해서도 '반작용'이 존재한다. 물체는 지지 케이블을 아래로 당기거나, 지지 표면 또는 액체를 아래로 누른다. 이 경우, 다음과 같이 크기가 같은 네 가지 힘이 존재한다.

  • F1. 지구가 물체에 가하는 중력 (아래 방향)
  • F2. 물체가 지구에 가하는 중력 (위 방향)
  • F3. 지지대가 물체에 가하는 힘 (위 방향)
  • F4. 물체가 지지대에 가하는 힘 (아래 방향)


힘 F1과 F2는 뉴턴의 제3법칙에 의해 같다. 힘 F3과 F4도 마찬가지이다. 힘 F1과 F3은 물체가 평형 상태에 있고 다른 힘이 가해지지 않을 경우에만 같다. (이것은 뉴턴의 제3법칙과는 관련이 없다.)

2. 4. 용수철에 매달린 물체

용수철에 매달린 물체가 진동할 때, 중력과 탄성력은 계속 변한다. 하지만 물체가 용수철에 가하는 힘과 용수철이 물체에 가하는 힘은 항상 작용-반작용 관계를 유지한다.

질량이 용수철에 매달려 있는 경우, 앞서 고려한 사항이 적용된다. 그러나 이 계가 교란되면 (예: 질량에 위 또는 아래로 약간의 힘이 가해지면) 질량이 위아래로 진동하기 시작한다. 이러한 가속(및 그에 따른 감속)으로 인해 관찰되는 속도 변화는 뉴턴의 제2법칙에 따라 순수한 힘이 원인이라고 결론지을 수 있다. 질량을 잡아당기는 중력은 이때 용수철의 위쪽 탄성력과 같지 않다. 앞 절에서 F1과 F3이 같지 않은 경우이다.

그러나, F1 = F2 및 F3 = F4는 뉴턴의 제3법칙에 의해 참이다.

3. 작용-반작용 법칙에 대한 오해

'작용'과 '반작용'이라는 용어는 '작용'이 원인이고 '반작용'이 결과인 것처럼 인과 관계를 오해하게 만들기 쉽다. 그러나 두 힘은 동시에 발생하며, 같은 이유로 존재한다.[4]

예를 들어, 축구 선수가 공을 차는 경우, 선수가 공에 가하는 힘을 '작용', 공이 선수에게 가하는 힘을 '반작용'으로 생각하기 쉽다. 하지만 물리적으로는 두 힘이 대칭적이다. 공과 선수에게 가해지는 힘은 모두 근접성 때문에 발생하며, 이는 한 쌍의 접촉력(궁극적으로는 전기적 반발력)을 유발한다. 누가 먼저 힘을 가했는지는 물리적 분석과 관련이 없으며, '작용'과 '반작용'이라는 명칭은 서로 바뀔 수 있다.[4]

3. 1. 인과 관계의 오해

'작용'과 '반작용'이라는 용어는 '작용'이 원인이고 '반작용'이 결과인 것처럼 인과 관계를 잘못 이해하게 만들 수 있다. 두 힘은 동시에 발생하며, 같은 이유로 존재한다.[4][15]

축구 선수가 공을 차는 상황을 예로 들어보자. 선수의 발이 공에 가하는 힘을 '작용', 공이 발에 가하는 힘을 '반작용'으로 생각하기 쉽다. 하지만 이는 물리적으로 대칭적인 현상을 비대칭적으로 해석하는 것이다. 공과 선수에게 가해지는 힘은 모두 두 물체 사이의 근접성 때문에 발생하며, 이는 한 쌍의 접촉력(궁극적으로는 전기적 반발력)을 발생시킨다. 선수가 공을 차기로 결정했다는 사실은 물리적 분석과 관련이 없다. 물리학적 관점에서는 '작용'과 '반작용'이라는 명칭을 서로 바꿔도 상관없다.[4][16]

3. 2. '같고 반대 방향'의 오해

물리학 교육자들이 자주 관찰하는 문제 중 하나는 학생들이 뉴턴의 제3법칙을 동일한 물체에 작용하는 '크기가 같고 방향이 반대'인 힘의 쌍에 적용하려는 경향이 있다는 것이다.[5][6][7] 이는 잘못된 적용이다. 제3법칙은 서로 다른 두 물체에 작용하는 힘에 관한 것이다.

예를 들어, 책상 위에 놓인 책은 아래 방향의 중력(지구가 책에 작용하는 힘)과 위 방향의 수직항력(책상이 책에 작용하는 힘)을 받는다. 이 두 힘은 모두 같은 책에 작용한다. 책이 가속되지 않으므로, 뉴턴의 제2법칙에 따르면 이 두 힘은 정확히 균형을 이루어야 한다. 따라서 '크기가 같고 방향이 반대'이지만, 동일한 물체에 작용하므로 뉴턴 제3법칙에서 말하는 작용-반작용 힘이 아니다.

뉴턴 제3법칙에서 말하는 실제 작용-반작용 힘은 책의 무게(지구가 책을 당기는 힘)와 책이 지구에 가하는 위 방향의 중력이다. 또한 책은 책상을 아래로 밀고 책상은 책을 위로 밀어 올리는데, 이 힘들도 작용-반작용 관계이다.

책에 작용하는 힘은 항상 같은 크기를 갖는 것은 아니다. 만약 책이 제3의 힘에 의해 아래로 눌리거나, 책상이 기울어져 있거나, 책상과 책 시스템이 가속하는 엘리베이터에 있다면, 그 힘들은 달라질 것이다. 동일한 물체에 작용하는 여러 개의 힘이 있는 경우는 모든 힘의 합을 고려하여 다루어진다.

이러한 문제의 가능한 원인은 제3법칙이 종종 "모든 작용에 대해 크기가 같고 방향이 반대인 반작용이 있다"[8]와 같이 축약된 형태로 제시되기 때문이다. 이러한 표현은 힘이 두 개의 다른 물체에 작용한다는 중요한 내용을 생략하고 있다. 게다가, 어떤 것의 무게와 수직력 사이에는 인과 관계가 있다. 만약 물체가 무게가 없다면, 책상으로부터 지지력을 받지 않을 것이고, 무게는 지지력이 얼마나 강할지를 결정한다. 이러한 인과 관계는 제3법칙 때문이 아니라 시스템 내의 다른 물리적 관계 때문이다.

3. 3. 구심력과 원심력

어떤 물체가 겪는 원심력이 그 물체에 작용하는 구심력에 대한 반작용이라고 언급하는 것은 흔한 오류이다.[9][10][21][22]

만약 어떤 물체가 동시에 구심력과 크기가 같고 방향이 반대인 원심력을 받는다면, 알짜힘은 사라지고 그 물체는 원운동을 할 수 없을 것이다. 원심력은 가상력 또는 의사력이라고도 불리는데, 이러한 힘이 비관성 좌표계에서 계산이나 측정을 할 때만 나타난다는 사실을 강조하기 위해서이다.[11][23]

4. 한국 사회와 작용-반작용 법칙

(이전 답변에서 원문 소스가 제공되지 않아 내용을 작성할 수 없다고 답변했습니다. 따라서 수정할 내용이 없습니다.)

참조

[1] 서적 Classical Mechanics https://books.google[...] University Science Books
[2] 서적 Lecture Notes on Newtonian Mechanics: Lessons from Modern Concepts https://books.google[...] Springer Science & Business Media 2016-09-28
[3] Principia Mathematical Principles of Natural Philosophy https://books.google[...]
[4] 간행물 Students' concept of force: the importance of understanding Newton's third law
[5] 간행물 Alternative frameworks: Newton's third law and conceptual change
[6] 간행물 Newton's Third Law Revisited
[7] Citation Newtonian Mechanics
[8] 웹사이트 Newton's Third Law Applied to Aerodynamics https://www.grc.nasa[...] NASA
[9] Citation Student Misconceptions about Newtonian Mechanics: Origins and Solutions through Changes to Instruction http://rave.ohiolink[...] The Ohio State University
[10] Citation An Episode in the History of Celestial Mechanics and its Utility in the Teaching of Applied Mathematics https://archive.org/[...] The Mathematical Association of America
[11] Citation Centripetal Acceleration: Often Forgotten or Misinterpreted
[12] 서적 Classical Mechanics https://books.google[...] University Science Books
[13] 서적 Lecture Notes on Newtonian Mechanics: Lessons from Modern Concepts https://books.google[...] Springer Science & Business Media 2016-09-28
[14] Principia Mathematical Principles of Natural Philosophy https://books.google[...]
[15] 간행물 Students' concept of force: the importance of understanding Newton's third law
[16] 간행물 Students' concept of force: the importance of understanding Newton's third law
[17] 간행물 Alternative frameworks: Newton's third law and conceptual change
[18] 간행물 Newton's Third Law Revisited https://iopscience.i[...] 2013-10-26
[19] Citation Newtonian Mechanics
[20] 웹사이트 Newton's Third Law Applied to Aerodynamics https://www.grc.nasa[...] NASA 2019-08
[21] Citation Student Misconceptions about Newtonian Mechanics: Origins and Solutions through Changes to Instruction http://rave.ohiolink[...]
[22] Citation An Episode in the History of Celestial Mechanics and its Utility in the Teaching of Applied Mathematics The Mathematical Association of America
[23] Citation Centripetal Acceleration: Often Forgotten or Misinterpreted
[24] 웹사이트 한국물리학회 물리학용어집 https://www.kps.or.k[...]
[25] 웹사이트 http://navercast.nav[...]


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